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                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                1990年4月24日,著名的哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope,縮寫:HST)發射升空。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                (圖片說明:宇宙經典景觀貓眼星云)

                如今,哈勃望遠鏡已經成為了世界上最著名的望遠鏡,它所公布的每一張宇宙照片都備受矚目。可是,回顧起哈勃望遠鏡的發射歷程,我們能想到的只有那幾個詞語——跌宕起伏、曲折離奇。

                最初構想

                關于太空望遠鏡的構想,遠比你想象的要早。

                早在1923年的時候,德國太空先驅三人組之一的赫爾曼·奧伯斯出版專著《Die Rakete zu den Planetenräumen(火箭進入行星空間)》,首次提到了關于利用火箭將望遠鏡送上太空的想法。

                1946年,美國天文學家小萊曼·斯皮策發表了論文《Astronomical advantages of an extraterrestrial observatory(地外天文臺的天文優勢)》,正式提出了空間望遠鏡的概念和優勢。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                斯皮策一生之中始終致力于空間望遠鏡的研制上,對于哈勃望遠鏡以及其他空間望遠鏡的發射都作出了杰出的貢獻。因此,NASA也將2003年發射升空的太空望遠鏡以他的名字來命名,這就是今年剛剛退役的斯皮策太空望遠鏡

                1962年,美國國家科學院也提交了一份報告,認為空間望遠鏡應該作為一項重要的天文視野來發展。于是,在1965年的時候,NASA成立了一個致力于建造空間望遠鏡的委員會,這個委員會的委員長即是斯皮策。

                1974年,在空間望遠鏡還沒有問世的時候,“寒酸”的科學家們只能利用飛機將觀測設備承載到空中進行有限的觀測。比如柯伊伯機載天文臺,就是利用改裝過的C-14飛機搭載到12500米高空,在相對稀薄的大氣環境下提高人類的觀測能力。

                空間望遠鏡的優勢

                為何天文學家紛紛將目光放在了太空?難道地球這個“小廟”容不下望遠鏡這一尊“大佛”嗎?

                容不下。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                地球的大氣層對于生命的存在至關重要,如果沒有它,現在的地球將是一片死寂。但是,它阻攔了外太空輻射的同時,也阻攔了人類的視野。雖說我們的肉眼看不見空氣,但這不意味著它真的是“看不見”,大氣湍流在天文觀測時給天文學家帶來了巨大的障礙。

                不僅如此,地球大氣層可以遮擋或者削弱很多波段的電磁波。比如我們熟知的臭氧層,可以吸收大部分紫外線,保護我們不會被太陽輻射所傷害,但是也阻止了科學家利用紫外線波段對宇宙進行觀測。如果能讓天文望遠鏡擺脫地球大氣層,那就可以不受大氣層的干擾,極大地擴展人類的視野。

                不論是理論上還是其他一些初步的實踐成果都告訴我們:空間望遠鏡的確具有非常巨大的觀測優勢。1968年,NASA正式決定:建造一臺口徑達到3米的空間望遠鏡,名稱暫定為大型軌道望遠鏡或大型空間望遠鏡(LST),預計發射時間為1979年。這臺望遠鏡,就是后來的哈勃太空望遠鏡。

                一波三折

                可是,這個計劃從一開始就面臨著一個重大的問題:錢。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                正應了那句話:錢不是萬能的,沒有錢卻是萬萬不能的。

                對于這臺望遠鏡的高昂預算,美國國會提出了質疑,并且要求必須想辦法降低預算。當科學家們絞盡腦汁地思考如何削減預算時,卻接到通知說不用考慮這個問題了——不是國會有錢了,而是國會明確表示:這個項目撤銷。

                天文學家們如同遭到了晴天霹靂,他們到處游說,很多人親自拜訪眾議員和參議員。1977年,在他們的不斷努力下,參議員才決定恢復一半的預算。

                直到1979年,也就是最初計劃發射這臺望遠鏡的那一年,它的主鏡片才剛剛開始拋光。直到兩年后,承擔這項任務的珀金·埃爾默公司仍然沒有完成拋光工作。此時,拋光的費用已經超出了最初的預算。NASA無奈之下,只好決定“打個八折”,把這臺望遠鏡的口徑改為2.4米,也就是現在哈勃望遠鏡的口徑。從這個角度來講,哈勃望遠鏡只是個“殘次品”。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                (圖片說明:1979年,珀金·埃爾默公司工作人員在打磨哈勃望遠鏡的主鏡)

                即便如此,這臺望遠鏡的經費仍然嚴重不足,國會又把錢包捂得極緊。無奈之下,NASA只好轉而向歐洲航天局求助。對于歐航局來說,這恐怕算得上是天上掉餡餅了。于是,他們出人、出力、出錢、出設備,助NASA一臂之力。前提條件是:歐航局獲得這臺望遠鏡15%的使用時間。因此,我們看到的一些哈勃太空望遠鏡的照片都是兩個航天局合作的。

                本段開篇的那句話如果反過來說,就是當時NASA遇到的尷尬。沒有錢是萬萬不能的,但錢也不是萬能的。即使得到了歐航局的幫助,望遠鏡的發射時間仍然一推再推,先是推遲到1986年3月,然后推遲到同年9月。這一次,他們不用再推了,因為問題已經不是望遠鏡打造的問題了。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                (圖片說明:技術人員在安裝前對哈勃望遠鏡的主鏡鍍鋁反射層后進行檢查,這個鍍鋁層可以增強反射效果,提升哈勃的觀測能力)

                1986年1月28日,是天文史上最悲痛的一天,美國挑戰者號航天飛機發生事故爆炸,7名宇航員全部犧牲。這個打擊讓NASA不得不停下腳步,暫停了航天飛機的發射。

                研發哈勃望遠鏡的相關工作人員反倒是把握住了這個機會,繼續提高望遠鏡的靈敏度、改進地面控制系統。但是,原本計劃搭乘航天飛機進入太空的哈勃望遠鏡,不得不放在無塵室中精心保存,這無異于是在白白地燒錢。望遠鏡的發射,已經刻不容緩。

                遲來的發射

                1990年4月23日,美國肯尼迪航天發射中心,萬眾矚目的時刻終于到來。從提出構想到這一刻,已經過去了44年。這臺在前不久決定以剛剛逝世一年的著名天文學家埃德溫·哈勃的名字來命名的太空望遠鏡,終于裝進了“發現者”號航天飛機,被發射升空。4月24日,在航天飛機的投放后,哈勃太空望遠鏡正式開始服役。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                這個時候,原始預算只有4億美元的哈勃望遠鏡,已經燒掉了接近15個億。在它的身上,一共配備了五大武器:

                • 廣域和行星照相機(Wide Field and Planetary Camera,縮寫:WF/PC):為哈勃提供最高解析力,后被第二代和第三代廣域照相機代替;
                • 戈達德高解析攝譜儀(Goddard High Resolution Spectrograph,縮寫:GHRS):由戈達德航天飛行中心制造,光譜分辨率可達90000,主要負責紫外線波段的觀測工作,1997年時被太空望遠鏡影像攝譜儀(Space Telescope Imaging Spectrograph,縮寫:STIS, )代替;
                • 高速光度計(High Speed Photometer,縮寫:HSP):在紫外線、可見光和近紅外線的波段上,每10微秒測量一次天體的光度變化和偏極性;
                • 暗天體照相機(Faint Object Camera,縮寫:FOC):提供極高的解析力,能夠分辨0.05角秒的天體;
                • 暗天體攝譜儀(Faint Object Spectrograph,縮寫FOS):觀測波長在1150至8500埃的攝譜儀,1997年被太空望遠鏡影像攝譜儀(STIS)代替。
                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                (圖片說明:哈勃望遠鏡結構示意圖1)

                圖為哈勃太空望遠鏡的結構示意

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                (圖片說明:哈勃望遠鏡結構示意圖2)

                從尺寸上看,哈勃望遠鏡和一輛公交車差不多。它的口徑為2.4米,總寬度4.2米,長度為13.2米,重量約為11.11噸。目前運行在大約540公里的高空,以每秒7.59公里的速度繞地球公轉。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                (哈勃太空望遠鏡和人類體型對比)

                可是,這一臺無數天文學家嘔心瀝血、櫛風沐雨打造的望遠鏡,承載著無數人對宇宙的渴望與憧憬,卻在傳回第一張照片的時候就讓所有人大跌眼鏡。這是怎么回事呢?

                15億美元的“天大錯誤”

                哈勃傳回來的第一張照片,出人意料地不清晰,大概就是下面這個樣子。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                不是你的眼神有問題,你的手機屏幕也很好,是哈勃太空望遠鏡的問題。

                這個問題馬上成為了當時的熱點新聞,讓哈勃望遠鏡成為了全美國茶余飯后吐槽的焦點。《新聞周刊》雜志的封面甚至起了 "15億美元的大錯"的題目。

                15億美元,換來了5毛錢的特效。

                噴射推進實驗室主任盧·艾倫領導的委員會馬上尋找其中的原因,最終發現:問題還是出在了珀金·埃爾默公司的身上——恐怕這些技術人員,已經恨得牙根直癢癢,不知道當初為何把這項任務給了這家公司。

                導致哈勃望遠鏡觀測能力大大弱于預期的原因,就在于主鏡的打磨。這就要從哈勃望遠鏡的原理說起了。

                從本質上說,哈勃太空望遠鏡的原理和折反射望遠鏡差不多,但是能夠觀測到的波長范圍更加寬廣。光線射到主鏡后,通過主鏡反射到副鏡上。這里的主鏡畫得比較平,但其實是一個凹面鏡。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                (圖片說明:哈勃望遠鏡原理示意圖)

                光線由副鏡反射,通過主鏡內的孔,并匯聚在焦點上。只要在焦點上安置接收儀器,就可以實現將遠處天體的放大。這里,首先就得要求主鏡有完美的平整度,其次就是主鏡的曲率要完美實現。否則,看上面的原理圖就知道,光線一定會散開。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                (圖片說明:工作人員在打磨主鏡,可以看到主鏡中間有一個孔是方便副鏡反射的光線通過的)

                結果,由于主鏡的曲率有了一點點細微的偏差,就產生了實際像點與理想像點的位置之差,這種偏差叫做球面像差,也叫球差。據計算,哈勃望遠鏡當時的球面像差僅有2.2微米,是人類頭發的幾十分之一。但是,對于哈勃這樣的超精細設備來說,這個偏差是致命的。中國古人講:“失之毫厘,謬以千里”。而哈勃更夸張,失之微米,謬以光年。

                問題找到了,那么,到底這個問題是怎么產生的呢?

                艾倫委員會的調查結果顯示:原本望遠鏡研發項目中包含著對球面像差的檢測流程,就是利用一種叫做“零位校正器”的設備進行檢測。但是,在應該進行這項檢測的期間,珀金·埃爾默公司因為經費和項目進度的問題和NASA鬧得很不愉快,因此有些破罐子破摔的心態,于是抱著僥幸心理沒有按照最初的要求裝配零位校正器,錯誤安裝的零位校正器導致了微弱的偏差。珀金·埃爾默并非不知道這件事,但是他們竟然沒有修正,而是墊了幾個金屬片強行把偏差消除,想借此蒙混過關。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                事情到這里還有挽回的余地,挑戰者號航天事故給了他們時間和最后的機會,只要NASA的人再檢測一次,發現問題就好了。可是,珀金·埃爾默的人始終拍著胸脯保證主鏡沒有任何問題,于是檢測就沒有進行。

                紙是包不住火的,當那些哈勃望遠鏡傳回的第一批照片呈現在眾人面前的時候,也就是人們傻眼的時候。

                險些流產的哈勃望遠鏡

                艾倫委員會認定,這次偏差的主要錯誤在于珀金·埃爾默公司的粗心大意,為此,后者迫于你懂得的壓力,不得不賠償1500萬美元。同時,NASA的相關人員因為工作不力,同樣遭到了嚴厲的批評。

                可是,懲罰不是目的,已經出現的問題該如何解決呢?

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                (圖片說明:宇航員在天空中維修哈勃望遠鏡)

                把望遠鏡拉回地面維修不是不可能,但是高昂的成本讓人望而卻步。好在問題還有解決的余地,他們可以在太空中給哈勃望遠鏡“戴眼鏡”。通過重新的計算和反復的檢查,技術人員得出結論:主鏡的圓錐常數為-1.01390±0.0002,而不是預定的-1.00230。

                1993年,NASA發射了奮進號航天飛機,利用機械臂將哈勃望遠鏡抓進航天飛機中。在接下來的7天內,宇航員將矯正光學空間望遠鏡軸向替換系統(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement,縮寫:COSTAR)裝入哈勃,消除了球面像差。由于哈勃望遠鏡內位置不夠,NASA不得不舍棄了五大武器之中的高速光度計(HSP)。同時,他們也用第二代廣域和行星照相機替換掉了第一代,提升了觀測的能力。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                (圖片說明:M100 星系,左側為1993年維護前哈勃拍攝的圖像,右側為修正后拍攝的結果)

                至此,哈勃望遠鏡終于擺脫了人們的嘲諷,從此成為了人類觀測宇宙時最重要的“一雙眼”。在接下來的27年時間里,它無數次用強大的觀測能力,向我們展現最壯觀、最深邃、最神秘的宇宙,訴說著這個宇宙所隱藏的秘密。

                為何哈勃能長青30年

                哈勃太空望遠鏡已經服役30年,卻依然能持續傳回大量震撼的宇宙圖片。和它相比,斯皮策太空望遠鏡2003年升空,今年年初退役,只工作了17年,而1991年發射的康普頓望遠鏡僅僅服役了9年,就在2000年墜入太平洋。

                為何哈勃望遠鏡能夠獨樹一幟,30年來依舊長青呢?

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                這是在于,哈勃太空望遠鏡是唯一被設計為可以由宇航員在太空中進行維修的設備(根據前兩章的介紹,可以感受到我們該多么慶幸它可以維修)。從發射至今,哈勃太空望遠鏡已經經歷了5次維護更新。

                1. 第一次維護:就是前面提到的1993年那一次維護,成功避免了哈勃望遠鏡的夭折,并且幸運地在第二年就拍攝到了著名的彗木相撞畫面。
                2. 第二次維護:1997年,美國7名宇航員搭乘“發現”號航天飛機升空, 更換了11臺最新設備,還修補了部分被剝落的絕緣層。
                3. 第三次維護:1999年,哈勃望遠鏡更換了一些絕緣設備、傳感器等設備,還更換了全部的6個陀螺儀。陀螺儀對于航天器的定位和運動有著極重要的意義,康普頓望遠鏡退役也是因為陀螺儀的損壞。
                4. 第四次維護:2001年,NASA利用“哥倫比亞”號航天飛機更換了太陽能電池板和電力控制裝置等設備。
                5. 第五次維護:由于2003年哥倫比亞號的航天事故被推遲,直到2009年時才被當時的局長批準。從此以后,哈勃望遠鏡沒有再進行過維護,而這一次維護后,據推測它可以工作到2030-2040年。
                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                “薪火相傳”

                盡管經歷了多次維修,但我們知道,終有一天哈勃望遠鏡也會退役。不過幸運的是,NASA早就已經準備好了下一代望遠鏡,那就是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope,縮寫JWST)。

                和哈勃相比,JWST的觀測功能更加驚人,而且它能觀測到的波段也比哈勃要更加寬廣。哈勃望遠鏡的口徑為2.4米,而JWST可以達到6.5米。因此,前者的觀測極限大約為134億光年,而后者則可以觀測到136億光年以外,也就是宇宙大爆炸后2億年左右的模樣。

                哈勃是如何成為最強大望遠鏡的?追溯哈勃歷史,原來也很曲折離奇

                 

                 

                (圖片說明:哈勃望遠鏡拍攝的獵戶座大星云照片)

                和給予它名字的天文學家埃德溫·哈勃一樣,哈勃望遠鏡也是人類天文史上的一座里程碑。在人類前行的路上,里程碑會一個一個被甩在后面。但是,我們永遠不會忘記里程碑旁邊的風景,和里程碑向我們訴說的一個道理:我們永遠在前行!

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